Como o ATLAS transformou o LHC em um laboratório de raios cósmicos

Em julho de 2025, o Grande Colisor de Hádrons (LHC), no CERN, foi configurado pela primeira vez para colidir prótons com íons de oxigênio. Para o experimento ATLAS, esse arranjo funcionou como um modelo controlado da primeira interação que ocorre quando um raio cósmico atinge a atmosfera da Terra. 69

Um próton no papel de raio cósmico; oxigênio no papel da atmosfera

Na comparação usada no experimento, o feixe de prótons representa a partícula vinda do espaço, enquanto os íons de oxigênio representam os núcleos presentes na atmosfera. Como a atmosfera terrestre é composta principalmente por nitrogênio e oxigênio, as colisões próton–oxigênio permitem estudar diretamente uma etapa essencial do início de uma cascata atmosférica de partículas. 9

As colisões ocorreram a uma energia de 9,62 TeV. O ATLAS não buscou recriar toda a cascata, que se espalha por grandes extensões da atmosfera, mas medir com precisão a colisão microscópica inicial que a desencadeia. 6

O que o ATLAS mediu

A análise reuniu 246 milhões de eventos selecionados. Cada um deles continha ao menos um traço de partícula carregada com momento transversal acima de 500 MeV e dentro da região |η| < 2,5. 9

A partir dos rastros deixados pelas partículas carregadas, a colaboração mediu:

• as taxas de produção e a multiplicidade de partículas;
• as distribuições de momento transversal;
• as distribuições de pseudorrapidez, que descrevem os ângulos de emissão em relação ao feixe;
• e as seções de choque de interação. 69

A seção de choque próton–oxigênio medida na região definida pelo experimento foi de 396 ± 6 (experimental) ± 9 (luminosidade) mb. Por meio de uma extrapolação teórica para próton–ar, a seção de choque inelástica foi estimada em 406 ± 6 (experimental) ± 9 (luminosidade) ± 28 (teoria) mb. 9

Segundo o resumo do ATLAS, as incertezas nas medições de multiplicidade, momento transversal e pseudorrapidez estão na faixa de poucos por cento — cerca de uma ordem de grandeza menores do que as diferenças entre modelos de interação hadrônica usados em simulações de cascatas de raios cósmicos. 69

Por que esses dados importam

Observatórios terrestres de raios cósmicos normalmente não detectam diretamente a partícula original. Em vez disso, observam as partículas secundárias produzidas quando ela colide com a atmosfera e, com base nessa cascata, inferem sua energia e possivelmente sua composição.

Esse processo depende de simulações das interações hadrônicas — interações governadas pela força forte — e os modelos existentes ainda não concordam plenamente entre si. 6

Os dados de próton–oxigênio permitem que os criadores desses modelos ajustem probabilidades de interação, produção de partículas, distribuições de momento, ângulos de emissão e seções de choque a medições de laboratório. A extrapolação para colisões próton–ar aproxima ainda mais os resultados das condições da atmosfera terrestre. 69

O que isso pode revelar sobre os raios cósmicos

Um próton primário e um núcleo atômico mais pesado produzem cascatas com desenvolvimentos e flutuações diferentes. Por isso, simulações mais bem calibradas podem reduzir uma importante incerteza sistemática na tentativa de descobrir se os raios cósmicos de energia extremamente alta são, em sua maioria, núcleos de hidrogênio ou elementos mais pesados.

Esse é um possível benefício dos novos dados, e não uma conclusão direta da medição do ATLAS. 69

A composição dos raios cósmicos também afeta a investigação de seus possíveis aceleradores astrofísicos. O desvio causado por campos magnéticos e os limites de aceleração dependem das propriedades do núcleo. Assim, uma estimativa mais precisa da composição pode fortalecer testes de cenários envolvendo fontes como ambientes de estrelas explosivas ou buracos negros supermassivos.

Ainda assim, esta medição não identifica a origem dos raios cósmicos nem demonstra um mecanismo específico de aceleração. 69

O limite essencial do experimento

As colisões no LHC são uma calibração da primeira e decisiva interação de uma cascata atmosférica, não uma reprodução completa dela. Seu valor está em substituir parte da incerteza teórica por dados controlados sobre a física de colisões que alimenta as simulações usadas para interpretar raios cósmicos. 69